נוזלי קירור המבוססים על ננו־נוזלים מוליכי חום
ננו־נוזלים המסונתזים באמצעות אולטרסאונד הם נוזלי קירור ונוזלים למחליפי חום יעילים. ננו־חומרים מוליכי חום מגדילים במידה ניכרת את יכולת העברת החום ופיזור החום. סוניקציה היא שיטה מבוססת היטב לסינתזה ולפונקציונליזציה של ננו־חלקיקים מוליכי חום, וכן לייצור ננו־נוזלים יציבים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי קירור.
השפעות ננו־נוזלים על הביצועים התרמיים וההידראוליים
המוליכות התרמית של חומר היא מדד ליכולתו להוליך חום. בנוזלי קירור ובנוזלים להעברת חום (המכונים גם נוזלים תרמיים או שמנים תרמיים), רצויה מוליכות תרמית גבוהה. ננו־חומרים רבים מציעים תכונות מצוינות של הולכת חום. כדי לנצל את המוליכות התרמית העדיפה של ננו־חומרים, משתמשים בנוזלים המכונים ננו־נוזלים כנוזלי קירור. ננו־נוזל הוא נוזל שבו חלקיקים בגודל ננומטרי מרחפים בנוזל בסיס, כגון מים, גליקול או שמן, ויוצרים בו תמיסה קולואידית. המוליכות התרמית של ננו־נוזלים יכולה להיות גבוהה במידה ניכרת מזו של נוזלים ללא ננו־חלקיקים או חלקיקים גדולים יותר. החומר, הגודל, הצמיגות, מטען פני השטח והיציבות בנוזל של הננו־חלקיקים המפוזרים משפיעים במידה ניכרת על הביצועים התרמיים של ננו־נוזלים. חשיבותם של ננו־נוזלים ביישומי העברת חום גדלה במהירות, משום שהם מציגים ביצועי העברת חום עדיפים בהשוואה לנוזלי בסיס קונבנציונליים.
פיזור אולטרסוני הוא טכניקה יעילה ביותר, אמינה ומבוססת בתעשייה לייצור ננו־נוזלים בעלי יכולות העברת חום ברמת ביצועים גבוהה.
- יחס גבוה בין שטח הפנים לנפח, המאפשר קצבי העברת אנרגיה ומסה גבוהים במידה ניכרת
- מסה נמוכה, המאפשרת יציבות קולואידית טובה מאוד
- התמד נמוך, הממזער שחיקה
תכונות אלה, הקשורות לגודל הננומטרי, מעניקות לננו־נוזלים את המוליכות התרמית יוצאת הדופן שלהם. פיזור אולטרסוני הוא הטכניקה היעילה ביותר לייצור ננו־חלקיקים שעברו פונקציונליזציה וננו־נוזלים.
ננו־נוזלים המיוצרים באמצעות אולטרסאונד ובעלי מוליכות תרמית עדיפה
ננו־חומרים רבים – כגון ננו־צינוריות פחמן (CNTs), סיליקה, גרפן, אלומיניום, כסף, בורון ניטריד ורבים אחרים – כבר הוכחו כמגבירים את המוליכות התרמית של נוזלים להעברת חום. להלן תוצאות מחקר לדוגמה על ננו־נוזלים מוליכי חום שהוכנו באמצעות טיפול באולטרסאונד.
ייצור ננו־נוזלים מבוססי אלומיניום באמצעות אולטרסאונד
Buonomo ועמיתיו (2015) הדגימו את המוליכות התרמית המשופרת של ננו־נוזלי Al2O3 שהוכנו באמצעות טיפול באולטרסאונד.
כדי לפזר ננו־חלקיקי Al2O3 באופן אחיד במים, השתמשו החוקרים במכשיר האולטרסוני UP400S של Hielscher, המצויד בסונוטרודה. לאחר פירוק אגלומרטים ופיזור באמצעות אולטרסאונד, התקבל גודל חלקיקי אלומיניום של כ־120 nm בכל הננו־נוזלים – ללא תלות בריכוז החלקיקים. המוליכות התרמית של הננו־נוזלים עלתה בטמפרטורות גבוהות יותר בהשוואה למים טהורים. בריכוז חלקיקי Al2O3 של 0.5% ובטמפרטורת חדר של 25°C, העלייה במוליכות התרמית היא רק כ־0.57%, אך בטמפרטורה של 65°C ערך זה עולה לכ־8%. בריכוז נפחי של 4%, השיפור עולה מ־7.6% ל־14.4% עם עליית הטמפרטורה מ־25°C ל־65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015]
התפלגות גודל החלקיקים בננו־נוזלי בורון ניטריד על בסיס מים, בריכוזים שונים של בורון ניטריד, לאחר טיפול באולטרסאונד באמצעות UP400S: (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(מחקר וגרפים: © Ilhan et al., 2016)
ייצור ננו־נוזלים מבוססי בורון ניטריד באמצעות סוניקציה
Ilhan et al. (2016) חקרו את המוליכות התרמית של ננו־נוזלים המבוססים על בורון ניטריד הקסגונלי (hBN). לשם כך מיוצרת סדרה של ננו־נוזלים יציבים ומפוזרים היטב, המכילים ננו־חלקיקי hBN בקוטר ממוצע של 70 nm, בשיטה דו־שלבית הכוללת סוניקציה וחומרים פעילי שטח כגון נתרן דודציל סולפט (SDS) ופוליוויניל פירולידון (PVP). ננו־נוזל מסוג hBN–מים שפוזר באמצעות סוניקציה מציג עלייה משמעותית במוליכות התרמית גם בריכוזי חלקיקים נמוכים מאוד. סוניקציה באמצעות המכשיר האולטרסוני מסוג גשוש UP400S הפחיתה את גודל החלקיקים הממוצע של האגרגטים לטווח של 40–60 nm. החוקרים מסיקים שאגרגטים גדולים וצפופים של בורון ניטריד, שנצפו במצב יבש ללא טיפול, מתפרקים באמצעות תהליך הסוניקציה והוספת חומר פעיל שטח. כך הופך הפיזור האולטרסוני לשיטה יעילה להכנת ננו־נוזלים על בסיס מים בריכוזי חלקיקים שונים.
[cf. Ilhan et al., 2016]
תמונת STEM המציגה את המורפולוגיה של ננו־נוזל hBN על בסיס אתילן גליקול (EG), שפוזר באמצעות סוניקציה, בריכוז חלקיקים נפחי של 0.5%.
(מחקר וגרפים: © Ilhan et al., 2016)
"סוניקציה היא התהליך הנפוץ ביותר בספרות להגברת היציבות של ננו־נוזלים." [Ilhan et al., 2016] וגם בייצור התעשייתי, סוניקציה היא כיום הטכניקה היעילה, האמינה והחסכונית ביותר לקבלת ננו־נוזלים יציבים לאורך זמן ובעלי ביצועים יוצאי דופן.
מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים לייצור נוזלי קירור
מוכחים מדעית, מבוססים בתעשייה – מכשירים אולטרסוניים של Hielscher לייצור ננו־נוזלים
מכשירי פיזור אולטרסוניים בעלי כוחות גזירה גבוהים הם מכונות אמינות לייצור רציף של נוזלי קירור ונוזלים להעברת חום בעלי ביצועים גבוהים. ערבול המונע באמצעות אולטרסאונד ידוע ביעילותו ובאמינותו – גם בתנאי ערבול תובעניים.
הציוד של Hielscher Ultrasonics מאפשר להכין ננו־נוזלים שאינם רעילים ואינם מסוכנים, וחלקם אף באיכות המתאימה למזון. בה בעת, כל המכשירים האולטרסוניים שלנו יעילים ביותר, אמינים, בטוחים להפעלה ועמידים מאוד. הם בנויים לפעולה 24/7, ואפילו המכשירים האולטרסוניים השולחניים והבינוניים שלנו מסוגלים לייצר נפחים מרשימים.
קראו עוד על ייצור אולטרסוני של ננו־נוזלים או צרו איתנו קשר כעת לקבלת ייעוץ מעמיק והצעה ללא תשלום למכשיר פיזור אולטרסוני!
הטבלה שלהלן נותנת מושג על כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 עד 150L | 3 עד 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבול, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
ספרות / מקורות
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
עובדות שכדאי לדעת
מדוע ננו־נוזלים מתאימים ליישומי קירור והעברת חום?
ננו־נוזלים הם סוג חדש של נוזלי קירור, המורכבים מנוזל בסיס (למשל מים), המשמש כנוזל נשא לחלקיקים בגודל ננומטרי. ננו־חלקיקים שתוכננו במיוחד למטרה זו (למשל CuO בגודל ננומטרי, אלומינה טיטניום דו־חמצני, ננו־צינוריות פחמן, סיליקה, או מתכות כגון נחושת, ננו־מוטות כסף), המפוזרים בנוזל הבסיס, יכולים לשפר במידה ניכרת את יכולת העברת החום של הננו־נוזל המתקבל. הדבר הופך ננו־נוזלים לנוזלי קירור בעלי ביצועים גבוהים באופן יוצא דופן.
שימוש בננו־נוזלים שיוצרו במיוחד ומכילים ננו־חלקיקים מוליכי חום מאפשר שיפורים משמעותיים בהעברת חום ובפיזורו; למשל, ננו־מוטות כסף בקוטר 55±12 nm ובאורך ממוצע של 12.8 µm בריכוז של 0.5 vol.% הגדילו את המוליכות התרמית של מים ב־68%, וריכוז של 0.5 vol.% של ננו־מוטות כסף הגדיל את המוליכות התרמית של נוזל קירור על בסיס אתילן גליקול ב־98%. ננו־חלקיקי אלומינה בריכוז של 0.1% יכולים להגדיל את שטף החום הקריטי של מים בשיעור של עד 70%; החלקיקים יוצרים משטח מחוספס ונקבובי על העצם המקורר, המעודד היווצרות בועות חדשות, ואופיים ההידרופילי מסייע לאחר מכן בהרחקתן, וכך מעכב את היווצרות שכבת הקיטור. ננו־נוזל בריכוז העולה על 5% מתנהג כמו נוזלים לא־ניוטוניים. (ראו (Oldenburg et al., 2007)
הוספת ננו־חלקיקי מתכת לנוזלי קירור המשמשים במערכות לבקרה תרמית יכולה להגדיל במידה דרמטית את המוליכות התרמית של נוזל הבסיס. חומרים מרוכבים כאלה, המורכבים מננו־חלקיקי מתכת ומנוזל, נקראים ננו־נוזלים, והשימוש בהם כנוזלי קירור עשוי להפחית את המשקל ואת דרישות ההספק של מערכות לבקרה תרמית של חלליות. המוליכות התרמית של ננו־נוזלים תלויה בריכוז, בגודל, בצורה, בכימיית פני השטח ובמצב הצבירה של הננו־חלקיקים המרכיבים אותם. נבדקו ההשפעות של ריכוז הננו־חלקיקים המוספים ושל יחס הממדים שלהם על המוליכות התרמית ועל הצמיגות של נוזלי קירור על בסיס מים ואתילן גליקול. ננו־מוטות כסף בקוטר 55 ± 12 nm ובאורך ממוצע של 12.8 ± 8.5 μm בריכוז נפחי של 0.5% הגדילו את המוליכות התרמית של מים ב־68%. המוליכות התרמית של נוזל קירור על בסיס אתילן גליקול גדלה ב־98% בעקבות הוספת ננו־מוטות כסף בריכוז נפחי של 0.5%. לננו־מוטות ארוכים יותר הייתה השפעה רבה יותר על המוליכות התרמית מאשר לננו־מוטות קצרים יותר באותה צפיפות העמסה. עם זאת, ננו־מוטות ארוכים יותר גם הגדילו את צמיגות נוזל הבסיס במידה רבה יותר מננו־מוטות קצרים יותר.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים החל בקנה מידה מעבדתי ועד קנה מידה תעשייתי.